科学家破解的特殊DNA合成机制可应用于新材料等领域。
科学家阐明特殊的DNA合成机制
近日，天津大学教授张雁与上海科技大学教授赵素文、美国伊利诺伊大学教授赵慧敏等合作，解析特殊的DNA合成机制，这种特殊的DNA在全球范围内传播，能感染细菌的大量病毒(该病毒也称为噬菌体)中就包含这种DNA
这一重大发现刊登在《科学》上，对生命起源、物种进化、系统生物学的研究具有重要的理论意义。
科技日报记者5月15日采访张雁获悉，该成果将在超级耐药菌感染的治疗、无绿色抗生素的畜牧饲料和食品保藏技术的开发、新型纳米材料的制备、DNA信息存储等领域，展开广阔的应用前景。
在感染蓝藻的噬菌体中发现了特殊的DNA
DNA是生命体的主要遗传物质，决定生物的多样性和特征。
生命的遗传信息存储在由a、g、c、t 4种碱基组成的DNA序列中。
1953年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克分析了DNA的双螺旋结构，发现两条链之间存在特异性碱基对。
a和t配对形成两个氢键，g和c配对形成三个氢键。
四种碱基互补作用的双螺旋结构构成了生命中心规律的基础。
目前唯一的例外是1977年，科学家在感染蓝藻的噬菌体中发现了由z、g、c、t组成的DNA。
这种特殊的DNA通过将正常的腺嘌呤( a )完全置换为二氨基嘌呤，并与胸腺嘧啶配对，形成三个更加稳定的氢键，大大改变了DNA的物理化学特征。
44年来，z的合成机制、生物功能和普遍性均未得到科学解释。
含有这种特殊DNA的噬菌体广泛存在于地球上
最近，科学家解开了这个秘密。
科研小组找到了多种酶来催化这种特殊的DNA合成，不仅包括z的合成，还包括去除a。
研究人员通过对噬菌体基因组功能的注释和同源序列的分析，发现多种噬菌体中存在合成z -前体的关键酶PurZ。
研究人员在含有PurZ的基因簇中发现了两个特异性的金属依赖的磷酸水解酶，发现它们是消除a的重要酶。
通过一系列实验，研究小组还分析了噬菌体z基因组的复杂生物合成途径。
在细菌和噬菌体亿万年的博弈中，细菌进化出了多种防御手段，噬菌体发展出了更多绕过细菌防御的策略，其中最广泛的是修饰自己的DNA，用z完全取代正常的a。
DNA测序非常普遍，但普通的DNA测序手段无法发现z的存在。
科研小组利用酶水解DNA进行成分分析的传统方法，证实了地球上广泛存在这种含有特殊DNA的噬菌体。 蓝藻的这种噬菌体并不是唯一的特例。
研究人员还利用最新一代的纳米孔DNA测序技术验证了研究结果。
可应用于新材料、信息存储等领域
“利用发现的特殊DNA合成机制，可以低成本量产含z的DNA，在新材料的制造、信息保存等多方面扩展应用。
”张雁说，“发现了这种特殊的DNA合成机制，可以低成本批量生产。
例如，通过设计DNA序列使其在纳米或更小的尺度上折叠成各种形状，作为新材料具有前景。 这种特殊的DNA提高了结构的热稳定性，可以更快、更高效地折叠特定3D结构的纳米材料。
”
用DNA代替计算机二进制图像和视频等数据存储器，大大缩小了所需空间，据科学推算，几公斤的DNA就可以存储当今人类所有的数据。
新型DNA的z碱基还可以在DNA信息的存储中获得加密、分类等功能。
此外，滥用抗生素导致的耐药菌是人类医学面临的重大问题。
抗生素在动物饲料和食品防腐中的滥用也亟待替代。
“噬菌体是细菌的天敌，发现这种特殊的DNA不被细菌的防御机制识别。
“张雁说，替代抗生素的噬菌体疗法受到广泛关注，临床上已经投入使用。
装有这种DNA的噬菌体对细菌更具杀伤力，作为广谱杀菌生物制剂在医药、畜牧养殖、食品防腐等领域具有广阔的应用前景。
本报记者陈曦通讯员赵晖
资料来源：科技日报
